Maßgeschneiderte poröse Halbleiter

Einem Forscherteam aus Augsburg ist es gelungen, durch Anwendung einer Vielzahl spektroskopischer Messmethoden umfassend die elektronischen Eigenschaften einer metallorganischen Gerüstverbindung (MOF von englisch „metal-organic framework") über einen weiten Temperaturbereich hinweg zu bestimmen. Die dazu verwendete Gerüstverbindung MFU-4 wurde von Wissenschaftlern um Dirk Volkmer am Lehrstuhl für Festkörperchemie der Universität Augsburg bereits vor einiger Zeit synthetisiert. Die Halbleiter-Eigenschaften der neuartigen porösen Verbindungen lassen sich gezielt maßgeschneidern. Halbleiter, die niedrige elektronische Bandlücken mit einem für Moleküle zugänglichen System aus nano-dimensionierten Kanälen kombinieren, ermöglichen die Entwicklung von neuartigen multifunktionalen Materialien für vielfältige technische Anwendungen.

Metallorganische Gerüstverbindungen werden in einem Baukastensystem erzeugt, in dem sich poröse Materialien für spezielle Anwendungen gezielt herstellen lassen. Wie Volkmers Kollegen Alois Loidl und Peter Lunkenheimer vom Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik V/EKM durch temperaturabhängige dielektrische Messungen nun zeigen konnten, lässt sich die elektronische Bandlücke des Materials MFU-4 durch gezielten Austausch von Metall-Ionen in weiten Bereichen anpassen. So wird beispielsweise durch den Austausch von Zink- gegen Cobalt-Ionen die elektronische Bandlücke von ursprünglich 3,0 auf etwa 1,8 Elektronenvolt herabgesetzt. Die resultierende Verbindung Co-MFU-4 nähert sich damit in Bezug auf die elektronischen Eigenschaften bekannten Halbleiter-Verbindungen wie etwa Selen oder Cadmiumselenid an, weist aber im Gegensatz zu diesen kompakten anorganischen Halbleitern eine riesige innere Oberfläche von mehr als 1000 m²/g auf, was vielfältige Anwendungsperspektiven eröffnet. Vergleichbare Oberflächen und Poren zeigen sonst nur sogenannte Zeolithe, deren intrinsische Bandlücken aber bei wesentlich höheren Energiewerten über 5 Elektronenvolt liegen und die sich deshalb wie Isolatoren verhalten.

Durch quantenmechanische Berechnungen an der Polytechnischen Universität Valencia ließen sich die elektronischen Eigenschaften für die ungewöhnliche Material-Kombination aus Poren und elektrischer Leitfähigkeit simulieren und genau vorhergesagen. Die Berechnungen erlauben tiefere Einblicke in Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von metallorganischen Gerüstverbindungen und gezielte Vorhersagen über die Auswirkungen struktureller Modifikationen auf die elektronischen Eigenschaften. „Dadurch wird es möglich, die Bandlücke von porösen Gerüstverbindungen gezielt einzustellen. Dies wiederum ermöglicht es etwa, Energie aus Sonnenlicht mit höchster Effizienz zu sammeln und in chemische Energie und Materialien umzuwandeln, beispielsweise in der photokatalytischen Herstellung von Wasserstoff aus Wasser oder der Fixierung von Kohlendioxid", so Volkmer.

Da das poröse MOF-Material von den umzuwandelnden Stoffen vollständig infiltriert wird, ist die Effizienz solcher Umwandlungen vermutlich sehr viel höher als diejenige typischer, bisher verwendeter kompakter Photohalbleiter-Materialien. Darüber hinaus ergeben sich potentielle Anwendungen im Bereich der Sensorik: Die zu analysierenden Moleküle dringen in die Gerüstverbindung ein und verursachen eine Veränderung der Gitterstruktur und -symmetrie. Die damit einhergehenden Änderungen der Elektronenstruktur lassen sich dann – dank halbleitender Eigenschaften – auf direktem elektrischen Wege detektieren.

Zudem sind metallorganische Gerüstverbindungen Nanoschwämme, die solche Moleküle, die exakt in die Poren passen, „aktiv" anreichern. Damit eröffnen sich Perspektiven für die medizinische Diagnostik, etwa bei der Erfassung von kleinsten Mengen flüchtiger Verbindungen in der Atemluft von Patienten, die für bestimmte Krankheitsbilder charakteristisch sind. Denkbar wären entsprechende Sensormodule, in die der Anwender wie bei den bekannten Alkoholtests hineinbläst.

U. Augsburg /PH